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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 이재영
- 발행연도
- 2021
- 저작권
- 서울시립대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수239
이 논문의 연구 히스토리 (2)
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본 연구에서는 높은 수분함량과 처리 시 환경문제가 발생하는 커피찌꺼기의 재활용 처리방법으로 저온 열수가압탄화(Hydrothermal Carbonization, HTC) 공법을 적용하여 Biochar를 생성하였으며 Biochar의 흡착 성능을 중점으로 최적 생성 조건 도출하였다. 또한 Biochar의 미세세공을 활성화하기 위해 KOH를 사용하여 화학적 활성화를 시켜 Activated Biochar를 생성하여 중금속 및 VOCs의 흡착제로써의 가능성을 평가하기 위하여 Biochar와 Activated Biochar를 비교 연구하였다.
먼저 HTC를 이용한 Biochar 생성에 사용된 커피찌꺼기와 다른 지점에서 채취한 커피찌꺼기 성상의 유사성을 판단하기 위해 물리·화학적 분석을 수행한 결과, 유사한 성상이 나타났기 때문에 대표성을 지니는 것으로 판단되며 법적 기준치를 모두 충족하였다.
HTC 공법을 이용하여 생성한 커피찌꺼기 Biochar의 최적 생성 조건 도출에 대한 첫 번째 Batch Test를 진행하였으며, HTC 반응 조건을 고려하여 1 ~ 4 시간의 범위에서 최적 반응 시간과 180 ~ 300 ℃의 범위에서 최적 반응 온도에 대한 수율과 요오드 흡착 성능을 평가하였다. 그 결과 260 ℃에서 1 시간 반응 시 수율 약 74.11 %, 요오드 흡착 성능 약 687.11 mg/L으로 가장 높은 값을 나타내고 있다. 따라서 일반적으로 커피찌꺼기를 사용한 HTC 최적 반응 조건은 260 ℃에서 1시간 반응 시 흡착제로써의 사용 가능성을 높일 수 있다고 본다.
최적 생성 조건의 Biochar를 화학적 활성화시키기 위해 KOH를 활성화제로 사용하였으며, 마찬가지로 수율과 요오드 흡착 성능을 분석하여 두 번째 Batch Test를 진행하였다. 두 번째 Batch Test 결과 최적 활성화 온도는 약 700 ℃, Biochar와 KOH의 최적 혼합 비율 1 : 0.5, 최적 활성화 시간은 1 시간에서 요오드 흡착 성능이 1105.33 mg/g으로 나타났으며 이는 입상 활성탄 공업규격의 1급(1,100 mg/g 이상)에 충족되는 값이다.
커피찌꺼기, Biochar, Activated Biochar의 흡착제로써 활용 가능성을 평가하기 위해 중금속 및 VOCs 흡착 실험을 수행하였으며 중금속 흡착 실험의 대조군으로써 현재 시판되고 있는 분말활성탄(KANTO, Charcoal Activated, powder, PAC)을, VOCs 흡착 실험의 대조군으로써 입상활성탄(Sigma-Aldrich, Activated Charcoal untreated, granular, GAC)을 추가하여 비교 실험을 수행하였다.
중금속 흡착 실험에서 사용된 중금속은 구리(Cu), 납(Pb), 카드뮴(Cd)이며 이들을 혼합 후 100 mg/L로 조제하여 12 시간 동안 Column Test를 수행하였다. 그 결과 중금속은 납(Pb) > 구리(Cu) > 카드뮴(Cd) 순으로 흡착 효율을 보였으며 흡착제 종류별 흡착 효율은 Activated Biochar > PAC > Biochar·커피찌꺼기 순으로 나타나 본 실험을 통해 Activated Biochar가 가장 높은 흡착 효율을 평가할 수 있었다.
VOCs 흡착 실험에서는 농도 200 ppm의 톨루엔 가스를 사용하여 300 분 동안 흡착을 하였으며, 흡착 물질이 가스인 점을 고려하여 분말 형태의 활성탄이 아닌 입상 형태의 활성탄을 사용하여 흡착 실험을 수행하였다. 그 결과 Biochar와 커피찌꺼기는 톨루엔 가스의 제거율이 거의 없는 반면, 실험 시작 140 분에 흡착이 종료된 GAC보다 240 분에 흡착이 종료된 Activated Biochar가 흡착 효율이 더 좋은 것으로 판단되었다.
따라서 본 연구를 통해 커피찌꺼기를 저온 열수가압탄화반응(HTC)으로 생성한 Biochar를 활성화시킨 Activated Biochar의 흡착제 적용성 평가를 수행한 결과 커피찌꺼기, Biochar, 현재 시판되는 다른 활성탄보다 단기간에 높은 효율을 보였으며, 흡착제로써의 활용 가능성이 충분하다고 판단된다.
먼저 HTC를 이용한 Biochar 생성에 사용된 커피찌꺼기와 다른 지점에서 채취한 커피찌꺼기 성상의 유사성을 판단하기 위해 물리·화학적 분석을 수행한 결과, 유사한 성상이 나타났기 때문에 대표성을 지니는 것으로 판단되며 법적 기준치를 모두 충족하였다.
HTC 공법을 이용하여 생성한 커피찌꺼기 Biochar의 최적 생성 조건 도출에 대한 첫 번째 Batch Test를 진행하였으며, HTC 반응 조건을 고려하여 1 ~ 4 시간의 범위에서 최적 반응 시간과 180 ~ 300 ℃의 범위에서 최적 반응 온도에 대한 수율과 요오드 흡착 성능을 평가하였다. 그 결과 260 ℃에서 1 시간 반응 시 수율 약 74.11 %, 요오드 흡착 성능 약 687.11 mg/L으로 가장 높은 값을 나타내고 있다. 따라서 일반적으로 커피찌꺼기를 사용한 HTC 최적 반응 조건은 260 ℃에서 1시간 반응 시 흡착제로써의 사용 가능성을 높일 수 있다고 본다.
최적 생성 조건의 Biochar를 화학적 활성화시키기 위해 KOH를 활성화제로 사용하였으며, 마찬가지로 수율과 요오드 흡착 성능을 분석하여 두 번째 Batch Test를 진행하였다. 두 번째 Batch Test 결과 최적 활성화 온도는 약 700 ℃, Biochar와 KOH의 최적 혼합 비율 1 : 0.5, 최적 활성화 시간은 1 시간에서 요오드 흡착 성능이 1105.33 mg/g으로 나타났으며 이는 입상 활성탄 공업규격의 1급(1,100 mg/g 이상)에 충족되는 값이다.
커피찌꺼기, Biochar, Activated Biochar의 흡착제로써 활용 가능성을 평가하기 위해 중금속 및 VOCs 흡착 실험을 수행하였으며 중금속 흡착 실험의 대조군으로써 현재 시판되고 있는 분말활성탄(KANTO, Charcoal Activated, powder, PAC)을, VOCs 흡착 실험의 대조군으로써 입상활성탄(Sigma-Aldrich, Activated Charcoal untreated, granular, GAC)을 추가하여 비교 실험을 수행하였다.
중금속 흡착 실험에서 사용된 중금속은 구리(Cu), 납(Pb), 카드뮴(Cd)이며 이들을 혼합 후 100 mg/L로 조제하여 12 시간 동안 Column Test를 수행하였다. 그 결과 중금속은 납(Pb) > 구리(Cu) > 카드뮴(Cd) 순으로 흡착 효율을 보였으며 흡착제 종류별 흡착 효율은 Activated Biochar > PAC > Biochar·커피찌꺼기 순으로 나타나 본 실험을 통해 Activated Biochar가 가장 높은 흡착 효율을 평가할 수 있었다.
VOCs 흡착 실험에서는 농도 200 ppm의 톨루엔 가스를 사용하여 300 분 동안 흡착을 하였으며, 흡착 물질이 가스인 점을 고려하여 분말 형태의 활성탄이 아닌 입상 형태의 활성탄을 사용하여 흡착 실험을 수행하였다. 그 결과 Biochar와 커피찌꺼기는 톨루엔 가스의 제거율이 거의 없는 반면, 실험 시작 140 분에 흡착이 종료된 GAC보다 240 분에 흡착이 종료된 Activated Biochar가 흡착 효율이 더 좋은 것으로 판단되었다.
따라서 본 연구를 통해 커피찌꺼기를 저온 열수가압탄화반응(HTC)으로 생성한 Biochar를 활성화시킨 Activated Biochar의 흡착제 적용성 평가를 수행한 결과 커피찌꺼기, Biochar, 현재 시판되는 다른 활성탄보다 단기간에 높은 효율을 보였으며, 흡착제로써의 활용 가능성이 충분하다고 판단된다.
목차
제 1 장 서론 1제 1 절 연구 배경 및 목적 1제 2 절 연구 동향 3제 2 장 이론적 배경 6제 1 절 커피찌꺼기 61. 커피찌꺼기의 정의 및 구성 성분 62. 커피찌꺼기의 발생 및 처리현황 7제 2 절 저온 열수가압탄화반응(HTC) 9제 3 절 Biochar 11제 4 절 활성화(Activation) 141. 물리적 활성화법 152. 화학적 활성화법 15제 5 절 흡착 161. 흡착 이론 162. 흡착 메커니즘 18제 3 장 연구 재료 및 방법 20제 1 절 연구 재료 201. 커피찌꺼기 202. 실험 장치 23제 2 절 연구 방법 241. 연구 내용 242. Biochar 생성실험 261) Biochar 생성을 위한 온도 및 시간 설계 263. Biochar의 Chemical Activation 271) Activated Biochar 생성을 위한 온도, 비율, 시간 설계 274. 분석 방법 301) 중금속 용출 시험 302) 삼성분 분석(Three components analysis) 303) 원소분석(Ultimate analysis) 324) 수소이온농도(pH) 325) 요오드 흡착 성능 336) BET 비표면적 345. 흡착제 종류별 중금속 흡착 실험 351) 중금속 흡착 실험 35(1) 흡착제 종류별 중금속 흡착 성능 35(2) 중금속 흡착을 위한 Column Test 352) VOCs 중 Toluene 흡착 실험 376. 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 분석 387. GC-MS(Gas Chromatography-Mass Spectrometry) 분석 38제 4 장 연구 결과 및 고찰 40제 1 절 원시료의 기본 분석 401. 커피찌꺼기의 물리·화학적 분석 40제 2 절 Biochar의 생성 최적화 431. 커피찌꺼기를 이용한 HTC 공법의 최적 반응 온도 431) 반응 온도 변화에 따른 Biochar의 생성 수율 432) 반응 온도 변화에 따른 Biochar의 요오드 흡착 성능 442. 커피찌꺼기를 이용한 HTC 공법의 최적 반응 시간 461) 반응 시간 변화에 따른 Biochar의 생성 수율 462) 반응 시간 변화에 따른 Biochar의 요오드 흡착 성능 47제 3 절 Biochar의 화학적 활성화 481. Biochar의 화학적 활성화 최적 반응 온도 482. Biochar와 활성화제의 최적 혼합 비율 503. Biochar의 화학적 활성화 최적 반응 시간 52제 4 절 Biochar와 Activated Biochar의 성상 비교 55제 5 절 흡착제 종류별 중금속 흡착 실험 571. 흡착제 투입량 산정 572. 흡착제 종류별 중금속 흡착 성능 583. 중금속 흡착을 위한 Column Test 60제 6 절 SEM 분석 62제 7 절 VOCs 중 Toluene 흡착 실험 651. 흡착제 종류별 톨루엔 가스 흡착 성능 652. GC-MS 분석 67제 5 장 결론 68References 72Abstract 79감사의 글 82
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